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基于跑道型谐振腔固支梁式加速度传感器的理论研究

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基于跑道型谐振腔固支梁式加速度传感器的理论研究

作者：王文娟燕山大学

学位级别：硕士

微纳光纤既不同于普通的光纤,也不同于集成光波导,是一种由空气为包层、二氧化硅等材料为芯层的光纤。这种微纳光纤由于本身所具有的大比例倏逝波传输,使得其具有强倏逝波耦合、低弯曲损耗、高色散区等特性。相比较于普通光纤,微纳光纤... 详细信息

微纳光纤既不同于普通的光纤,也不同于集成光波导,是一种由空气为包层、二氧化硅等材料为芯层的光纤。这种微纳光纤由于本身所具有的大比例倏逝波传输,使得其具有强倏逝波耦合、低弯曲损耗、高色散区等特性。相比较于普通光纤,微纳光纤尺寸更小、损耗更低、耦合强度更强;相比较于集成光波导,微纳光纤的制作工艺更为简单可行。并且,由微纳光纤构成的环形谐振腔具有低损耗和品质因数高的特点,从而微纳光纤环形谐振腔可以作为一种高灵敏度的光学传感器。微纳光纤与硅MEMS传感结构相结合构成的MOEMS加速度传感器是一种体积小、质量轻、灵敏度高且动态范围大的加速度传感器。主要工作为:先对本课题的研究背景及意义进行了简要的介绍,对微纳光纤的发展现状、环形谐振腔的应用领域以及基于微纳光纤环形谐振腔加速度传感器的研究现状进行了简要的分析。之后在对微纳光纤模式及能量分布分析的基础上对微纳光纤环形谐振腔的相关理论及特性进行了分析,并重点分析了自耦合系数t、传输损耗因子τ以及微环有效折射率n对微纳光纤环形谐振腔传输特性的影响。提出了一种基于新型的微纳光纤跑道型谐振腔的双端固支梁加速度传感器:分析了跑道型谐振腔的传输理论和谐振原理、双端固支梁的受力、传感器的传感原理、传感器的灵敏度。对跑道型谐振腔在不同有效折射率下的光场分布图和双端固支梁的模态进行了仿真,验证了可以通过检测波长漂移和光强度的方式实现对加速度的测量,并通过MATLAB仿真软件对这两种检测方法进行了具体的仿真分析,得出固支梁的结构参数是影响传感器灵敏度的重要因素。本文最后对微纳光纤以及微纳光纤跑道型谐振腔的实验制备过程进行了简要的介绍。采用酒精熔融拉制法制备了直径约为2μm的微纳光纤,且用此微纳光纤制备了跑道型谐振腔,阐述了具体的制备过程以及需要注意的事项。并验证了微纳光纤跑道型谐振腔的光谱特性与理论分析所得基本一致。

关键词：微纳光纤微环谐振腔跑道型谐振腔加速度传感微纳光纤制备

基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器

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基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器

作者：韦丽萍中北大学

学位级别：硕士

随着光通信技术的飞速发展,高密度集成、高可靠性、智能化和低成本的集成光互连网络成为光通信系统的发展方向,光互连代替电互连成为了一种必然趋势。由于光子器件可以突破摩尔定律的限制,在增加数据传输量和传输速率的同时,还具有节省... 详细信息

随着光通信技术的飞速发展,高密度集成、高可靠性、智能化和低成本的集成光互连网络成为光通信系统的发展方向,光互连代替电互连成为了一种必然趋势。由于光子器件可以突破摩尔定律的限制,在增加数据传输量和传输速率的同时,还具有节省功耗、防止频率串扰的优点;不仅能保证长距离互连的密度、数据传输的准确性,还能实现超小尺寸器件的大规模集成,成为了目前国内外的研究热点。绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator, SOI）材料的高折射率差、光场局域能力强、波导的弯曲损耗小,有利于制备超小尺寸的器件结构。此外,SOI材料与CMOS工艺兼容,可实现集成光子器件的高密度集成、超小型化、批量化生产。基于SOI材料的光学谐振腔在滤波、光开关、调制器、探测器等集成光互连网络主要部件中具有广泛应用。然而,基于跑道型谐振腔的电光调制器相关研究较少。因此,本文顺应硅基集成光互连网络的发展趋势,针对网络中的重要功能器件一电光调制器,开展了基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器的相关研究,充分利用了跑道型谐振腔长耦合区域的优势,有效提高了调制器的消光比、调制深度以及调制速率等性能。本文利用Rsoft和FDTD仿真软件对脊型波导的单模杰及光场在跑道型谐振腔内的传输情况进行了仿真,并分析了跑道型谐振腔的谐振特性以及独特的模式分离特性,设计了调制器的光学结构。分析了P-I-N结的导电机理以及等离子体色散效应,确定了载流子浓度变化与波导折射率系数变化的相互关系,并利用Silvico TCAD软件对P-I-N结的I-V特性进行了仿真,确定了基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器的电学结构参数。然后根据设计的跑道型谐振腔及P-I-N结结构参数,结合MEMS加工工艺,制备出了完整的基于SOI脊型波导的跑道型谐振腔电光调制器芯片。进行了SOI脊型波导跑道型谐振腔的谐振特性及模式分离特性测试,调制器的静态频移特性及动态响应特性测试。通过实验验证了制备出的调制器性能良好,并与同一批加工制备出的环形谐振腔电光调制器进行了对比（环形谐振腔与跑道型谐振腔的周长近似相等）,发现跑道型谐振腔的模式分离特性确实有效提高了调制器的消光比、调制深度以及调制速率等性能：在1MHz频率时,跑道型谐振腔调制器对应的消光比为6.99dB、调制深度为80%、上升时间为29ns、下降时间为67ns;环形谐振腔调制器对应的消光比为1.52dB、调制深度为36%、上升时间为41ns、下降时间为72ns。虽然本文中所制备的调制器未达到最为理想的性能指标,其在设计方面的创新性为电光调制器以及谐振腔的其他应用都提供了新思路。

关键词： SOI材料脊型波导跑道型谐振腔模式分离特性电光调制器

基于MDM波导耦合谐振腔的Fano共振效应及其传感特性研究

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基于MDM波导耦合谐振腔的Fano共振效应及其传感特性研究

作者：唐丹丹南京邮电大学

学位级别：硕士

表面等离子波(Surface Plasmons Polaritons,SPPs)是一种在外加高频电磁场下,金属-介质交界面处的自由电子产生集体震荡,并以疏密波的形式沿金属-电介质交界面传输的行为。其被束缚在金属-介质交界面的表面从而具有很强的局限作用,并沿... 详细信息

表面等离子波(Surface Plasmons Polaritons,SPPs)是一种在外加高频电磁场下,金属-介质交界面处的自由电子产生集体震荡,并以疏密波的形式沿金属-电介质交界面传输的行为。其被束缚在金属-介质交界面的表面从而具有很强的局限作用,并沿着金属表面传输且在垂直于传输方向上呈指数衰减。所以表面等离子体可以突破传统的衍射极限,这对于实现光学器件的微型化和集成化具有很大的帮助。金属-电介质-金属(MDM)波导结构具有结构简单、传输距离长、易于制备、频率范围宽等多种优势。MDM波导耦合谐振腔结构可以产生Fano共振线形,Fano共振谱线的一个显著特点就是明显的反对称性,这使得其对折射率的变化有很好的敏感特性。本文研究的是MDM波导耦合不同谐振腔时产生的Fano共振传感特性,共提出两种含有金属挡板的MDM波导与谐振腔的耦合模型。第一种模型结构是带有金属挡板的MDM波导与U型谐振腔的耦合,通过波导中的宽谱共振和U型腔中的窄带谱共振相互干涉叠加产生的Fano共振,我们利用模式耦合过程来分析该Fano共振形成的机理和过程。通过优化结构参数来改善结构的传感性能,我们发现该结构的品质因数FOM最高值为4.7382×10,相对应的灵敏度为800 nm/RIU。我们通过对单侧U型谐振腔进行优化,在波导的另一侧加上对称的U型腔结构,优化结构参数得到最大的FOM值为5.3478×10,具有更高的分辨率,相对应的灵敏度大小与单侧U型结构腔相同。第二种模型结构是含有金属挡板的MDM波导与跑道型谐振腔的耦合,我们通过改变结构参数来分析该结构的传感特性。首先我们研究的是单金属挡板与单侧跑道型谐振腔耦合,优化结构参数得到最大的品质因数FOM值为2.087×10,相对应的灵敏度为866.7nm/RIU;其次我们保持上边跑道腔的结构参数最优时,当在波导的另一侧添加一个旋转90度的跑道腔结构,研究发现此时的传感性能较单侧更优,其品质因数高达1.412678×10,该参数下的灵敏度为875nm/RIU;最后,当我们在波导的另一侧添加一个不对称且方向一致的跑道腔结构,改变下边腔的结构参数时,发现该结构产生了双重Fano共振。我们继续对该结构进行研究,发现双重Fano共振是分别由上下边腔与MDM波导耦合形成的。我们优化下边腔的结构参数,发现两种模式的Fano共振的传感参数FOM值分别为2.27901×10和2.24755×10,灵敏度大小分别为850nm/RIU和950nm/RIU。与单侧跑道腔结构相比,其传感性能更优。

关键词：表面等离子体 MDM波导 Fano共振 U型谐振腔跑道型谐振腔折射率传感器

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高Q值跑道型光学环腔的理论研究

广西大学学报（自然科学版） 2013年第2期38卷 476-480页

作者：陈曜丁玉丽何鹏程广西大学物理科学与工程技术学院广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室广西南宁530004

光学环腔因其高Q值的优点,在光传感及光通信领域有着重要的作用。品质因数(Q)是描述光学环腔性能的最重要参数。文中以提高Q值为出发点,重点研究硅基跑道型光学环腔中波导的间距与耦合系数的关系,以及自耦合和损耗因子对Q值的影响,并分... 详细信息

光学环腔因其高Q值的优点,在光传感及光通信领域有着重要的作用。品质因数(Q)是描述光学环腔性能的最重要参数。文中以提高Q值为出发点,重点研究硅基跑道型光学环腔中波导的间距与耦合系数的关系,以及自耦合和损耗因子对Q值的影响,并分析了工作在1.55μm波长下的跑道型环腔的Q值。采用有效折射率法,计算出直波导中的单模传输条件,消除了波导中多余峰值对Q值的影响。此外,利用光耦合模理论,通过控制有效耦合长度对耦合因子进行控制,在波导损耗为0.2 db/cm下得到105的Q值,仿真结果和理论计算一致。文中提出的跑道型结构具有较高的Q值,能被有效应用到光传感及光探测领域中。

关键词：跑道型谐振腔品质因数耦合长度单模